基于ZigBee技术的环境监测系统设计

摘要：以CC2530和zstack协议栈为平台，给出了基于ZigBee技术的温度、光照度无线传感器网络的设计方法，同时对协议栈的运行机制、组网过程及应用层的数据采集进行了分析与设计。实验结果表明，该设计方法可行，各节点工作良好，能成功实现多跳网络的数据采集。

0 引言

各行各业尤其是工农业生产、环境监测等领域，都对无线数字监测系统提出了极大的需求和更高的要求。无线传感网的迅速发展并逐渐走向成熟，使得这一需求得到了较好的满足。基于ZigBee技术的无线传感网具有自组织、低功耗、以数据为中心、抗毁性强和无需架设网络设施等优势，可以在外界环境十分恶劣的条件下，完成其他监测手段无法完成的任务，代表了数字监测的一个新的发展方向。本文以TI公司的CC2530和zstack协议栈为平台，给出了基于ZigBee技术的温度及光照度无线传感器网络的设计方法。

1 系统总体设计

本文设计的基于ZigBee技术的无线传感器网络由一个协调器节点、若干路由节点和众多传感节点组成，图1所示是其系统总体结构。其中，传感节点负责对环境温度等数据的监测，然后通过路由节点以多跳方式将数据发送给协调器节点，协调器节点负责将数据上报给监测中心PC机。

2 节点硬件设计

根据节点在系统中的应用不同，可分为传感节点、路由节点和协调器节点。各节点的功能不尽相同，可分为数据采集、数据处理、无线通信、能量供应和串口通信等功能。各功能模块采用模块化的方法设计，这样可以实现各模块的并行设计、调试，缩短开发周期，同时也便于后期更换和扩展传感器，从而方便后期维护或移植到其他监测领域。

2.1 ZigBee模块

本设计中的各节点选用CC2530芯片作为ZigBee模块，实现数据处理及ZigBee无线通信功能。CC2530内部集成了一个高性能2.4 GHz射频收发器和一个增强型8051微处理器，最大256 KB可编程FLASH、8 KB的RAM并提供了一套广泛的外设集，为2.4 G IEEE 802.15.4和ZigBee应用提供了一种SOC解决方案。该模块的电路如图2所示，图2中包含了最小系统、射频前端及I/O接口电路。

2.2 数据采集模块

各传感节点通过一线制数字温度传感器DS18B20和CDS光敏电阻5 516对环境温度、光照度进行数据采集，图3所示是数据采集模块电路图。其中，DS18B20可实现-55～+125℃测量范围及最高12位测温分辨率，测温精度可达±0.062 5℃，供电电压范围为+3～+5.5 V。本设计中供电电压选择来自LD1117稳压芯片的+3.3 V输出，数据线DQ和CC2530芯片的P2.0相连实现一线接口，如图3(a)所示。5516光敏电阻的亮电阻为5～10 kΩ，暗电阻为500 kΩ，电路如图3(b)所示，输出电压为0～2 V，送至P0.5进行AD转换。

3 节点软件设计

节点软件是在TI公司的ZigBee协议栈——Z-stack基础上开发设计的。该协议栈支持ZigBee网络的建立和加入、自组网、多跳传输和动态网络拓扑。

3.1 Z-stack协议栈的运行机制

OSAL是TI公司开发的用于Z-Stack协议栈的一个轮转查询式的操作系统。OSAL把优先级放在最重要的地位，优先级高的任务中的所有事件都具有很高的优先级，只要优先级高的任务有事件没有处理完，就一直处理，直到所有事件都得到处理，才去查询下一个任务的事件。另外，即使当前在处理的任务中有两个以上事件等待处理，处理完一件后，也要回头再去查询优先级更高的任务。只有在优先级更高的任务没有事件要处理的情况下，才会处理原来任务优先级第二高的事件。如果此时发现优先级高的任务有了新的事件要处理，则立刻处理该事件。通过这种调度方式，就赋予了优先级高的任务最大的权利，尽可能保证高优先级任务的每一个事件都能得到最及时的处理。

3.2 ZigBee网络的组网过程

ZigBee网络的组网过程包括网络建立和加入网络两个方面，该部分是通过Z-Stack协议栈各层之间的原语通信实现的。协调器节点负责网络的参数配置和建立，应用层通过ZDO层调用网络层函数NLME NetworkFormationRequest()，在指定信道上进行主动扫描，即发送MAC层信标请求命令，探测该信道上已存在的网络;然后网络层根据主动扫描结果，设置PAN ID，网络地址，扩展PAN ID等参数;最后通知各应用端点一个新的ZigBee网络已经建立起来了口其网络建立过程如图4所示。

加入网络有多种方式，通过连接来加入网络，重新加入网络，孤立点加入网络，预先配置加入网络等。子节点通过连接方式加入网络的过程图如图5所示。

子节点应用层通过ZDO层调用网络层函数NLME_NetworkDiscoveryRequest()，在指定信道上进行主动扫描，然后监听一段时间看是否收到信标。通过多次发送MAC层信标请求命令，子节点可以知道周围已存在网络的有关信息，从而确定要加入网络的PAN ID，然后通过NLME_Join Request()函数向要加入的节点发送MAC层连接请求命令。如果收到成功的MAC层连接响应命令，则可获取父节点所分配的网络地址。如果子节点是终端节点，则网络加入过程到此完成。而如果子节点是路由节点，则子节点还需通过NLME_StartRouterRequest()函数启动路由器。无论子节点是传感节点还是路由节点，最后都要将加入网络的结果通知各应用端点。

协调器和路由器节点可以通过NLME_PermitJoining Request()函数决定是否允许子节点加入到自己的网络，这样可以方便地控制子节点加入到指定的一个路由节点中，从而实现多跳组网。

3.3 数据采集程序设计

采用DS18B20作为测温元件，其硬件电路相当简单，但对于单片机来说，为获取一次温度数据，需要先对其执行复位操作，发送ROM命令和RAM命令操作，启动温度的转换;等待温度转换完成后，再重复执行上述三步操作，才能实现温度的读取。根据DS18B20配置寄存器的不同，可分为9、10、11和12位的分辨率，所需转换时间最小为93.75 ms，最大为750 ms。也就是说，在启动温度转换后，必须等待较长的时间才能进行温度的读取操作。为了避免无谓的等待，本设计中将温度的测量分为两个事件：温度的“转换”和“读取”事件。温度采集时，可以设置一个“转换”事件定时器。在处理“转换”事件时，先向DS18B20发送温度转换命令，紧接着设置一个“读取”事件定时器，然后返回OSAL处理其他事件，从而保证系统能及时地响应其他事件。在处理“读取”事件时，只需要直接读取温度，然后再次设置“转换”事件定时器，实现周期性数据采集。温度传感器的“转换”和“读取”事件处理流程如图6所示。

4 实验结果分析

4.1 组网实验

组网测试时，通过TI公司的CC2531UD USB DONGLE和SmartRF Packet_Sniffer软件对空中无线数据包进行抓包分析。子节点加入网络过程中所抓到的数据包如图7所示。子节点(IEEE地址为0x001248000201781D)先发出一个MAC层信标请求命令，接着协调器节点(网络地址为0x0000)发出了一个信标帧作为响应。然后，子节点又发出一个MAC层连接请求命令，接着协调器节点返回一个应答帧。最后，子节点向协调器节点发送一个MAC层数据请求命令，接着协调器节点发出一个MAC层连接响应命令作为响应，为子节点分配一个网络地址0x0001。通过数据包图可见子节点已成功加入网络。

4.2 数据采集实验

实验中，设定各传感节点每隔2 s进行一次数据采集，然后将采集数据经过路由节点发送至协调器，协调器通过RS232串口将数据上传给PC机，最终显示的采集数据如图8所示。图8中的采集数据分别是节点号为10 650和10 120的2个传感节点通过路由节点2 181(父节点)发送至协调器的。实验时人工测量温度值为20.3℃，与采集到的数据基本吻合。

5 结语

基于ZigBee技术的无线传感网可以较好满足各行各业对无线数字监测的需求。本文以CC2530和Z-stack协议栈为平台，组建了一个多跳ZigBee网络，实现对环境温度、光照度等数据的无线监测。实验结果表明，本设计多跳组网成功，数据采集结果正确。